闪速炉反应塔壁面挂渣机理研究.pdf

2 0 1 5 年第1 1 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i 鹤n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．1 1 ．0 0 2 闪速炉反应塔壁面挂渣机理研究 熊宗维 中国瑞林工程技术有限公司，南昌3 3 0 0 3 1 摘要分别对闪速炉反应塔镁铬砖炉衬、喷淋冷却和水套冷却的壁面挂渣情况建立一维稳态传热模型， 分析反应塔壁面挂渣机理。 关键词闪速炉；反应塔；挂渣；传热模型 中图分类号T F 8 1 1 文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 1 1 一o 0 0 7 一0 3 S t u d yo nM e c h a n i s mo fA d h e r i n gS l a go nR e a c t i o nS h a f ti nF l a s hF u r n a c e X I O N GZ o n g w e i C h i n aN e “nE n g i n e e r i n gC o ．，L t d ．，N a n c h a n g3 3 0 0 3 1 ，C h i n a A b s t r a c t O n e d i m e n s i o n a ls t e a d yh e a t t r a n s f e rm o d e lf o ra d h e r i n gs l a go fm a g n e s i t e c h r o m eb r i c kl i n i n g ， s p r a yc 0 0 1 i n gw a l l ， a n dj a c k e tc o o l i n gw a l lo fr e a c t i o ns h a f to ff l a s hf u r n a c ew a se s t a b l i s h e d ． T h e m e c h a n i s mo fa d h e r i n gs l a gf o rr e a c t i o ns h a f tw a sa n a l y z e d ． K e yw o r d s f l a s hf u r n a c e ；r e a c t i o ns h a f t ；a d h e r i n gs l a g ；h e a tt r a n s f e rm o d e l 闪速炉是处理粉状硫化矿物的一种强化冶炼设 备，一般由精矿喷嘴、反应塔、沉淀池及上升烟道4 个主要部分组成。反应塔位于沉淀池上方，熔炼过 程主要化学反应在反应塔内进行[ 1 ] 。反应塔炉衬由 于长期经受高温烟气、熔体的冲刷，腐蚀严重。 在闪速炉的发展过程中，实践证实，仅仅采用高 档优质的耐火材料来提高反应塔寿命远远不够。而 通过采用喷淋冷却或者水套冷却方式，促使反应塔 壁面形成稳定挂渣，对延长反应塔寿命大大有利。 本文通过对反应塔镁铬砖炉衬、喷淋冷却和水套冷 却的壁面挂渣分别进行研究，分析反应塔壁面挂渣 的机理。 1 计算模型的建立 闪速炉反应塔如图1 所示，炉体主要由镁铬砖 内衬、水套和钢板外壳组成。反应塔壁面的挂渣由 于处于炉内气相高温以及炉壁低温之间，在工况发 生变化时，其凝固一熔化边界随之发生移动。伴随 有凝固和熔化的热传导问题，属于带有相变的移动 边晃问题，也称为“S t e f a n ”问题。挂渣的成分很复 杂，其凝固温度和熔化温度也并不相等，为研究简 便，本研究采用相同的凝固温度和熔化温度，即定值 相变温度。 1 ．1 传热控制方程 闪速炉生产操作过程中，各工艺参数稳定，炉况 在长时间内相对稳定，模型中将反应塔炉衬内的热 传递过程认为是稳态传热过程。反应塔在结构上具 有良好的轴对称性，传热控制方程为通过圆筒壁的 导热方程。由于反应塔内径约7m ，塔壁传热介质 深度不超过O ．3 5m ，通过圆筒壁的导热方程可以转 化为多层平壁导热方程。因此，反应塔炉衬内一维 稳态传热控制方程口1 可表述为 收稿日期2 0 1 5 一0 5 1 2 基金项目国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 项目 2 0 1 3 A A 0 6 4 0 0 1 作者简介熊宗维 1 9 8 4 一 ，男，江西宜春人，硕士，工程师． ．d ￡ q 一一 五 万方数据 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第1 1 期 镁铬砖 铜水套 钢板 择渣 图1闪速炉反应塔示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po fr e a c t i o ns h a f to f n a s hf u r n a c e 式中，q 为热流密度 w ／m 2 ；A 为导热系数 W m _ 1 K - 1 ；￡为温度 ℃ ；z 为笛卡尔坐标 m 。 1 ．2 边界条件及参数计算 本研究中计算模型选用各介质的物性参数如表 1 所示，各边界条件界定如表2 所示。 表1 各介质的物性参数 T a b l elP a r a m e t e r sO fm a t e r i a I s 表2 一维传热模型边界条件 T a b l e2 B o u n d a r yc o n d i t i o n so fo n e d i m e n s i o n a l h e a tt r a n s f e rm O d e l 项目边界位置边界条件 镁铬砖内衬炉内、炉外壁面 喷淋冷却炉内、炉外壁面 水套冷却 菜皇萎 第三类边界条件，对流、辐射边界 第三类边界条件，对流、辐射边界 第三类边界条件，对流、辐射边界 第一类边界条件，温度边界 强制对流传热系数为 ，一N h A ／Z O ．6 6 4 风1 ／2P } 1 ／3 A ／Z 2 自然对流传热系数为 ，一M A ／Z 0 ．1 1 G P r “3 A ／Z 3 炉内辐射传热系数嘲为 忙G [ ￡ 焉 4 - 焉 4 ] ／[ 三 丢一， L L l 4 - J 炉外辐射传热系数为 ， 艮f I 需 一 志 ] ／ L T d 5 对流、辐射综合传热系数为 。 ， 6 式中， 。、 ，、 ；分别为对流、辐射和综合换热系数 W m - 2 K - 1 ；Z 为特征长度 m ；N “为努塞尔 数；R P 为雷诺数；P r 为普朗特数；G r 为格拉晓夫 数；G 为黑体辐射系数 5 ．6 7W m - 2 K 叫 ；￡。和 ￡。分别为气体和壁面的黑度；L 为炉内烟气温度 K ；L 、T n 、T 。分别为炉内壁面、炉外空气和炉外 壁面的温度 K 。 反应塔炉内烟气温度为￡。一13 0 0 ～15 0 0 ℃， 无特别说明本研究中烟气温度L l6 7 3K 。炉内 壁面挂渣时，炉内壁面温度为挂渣的相变温度，即 L L 。闪速炉反应塔壁面挂渣的相变温度[ 4 ] 为 ￡。一11 4 0 ～12 6 0 ℃，无特别说明本研究中相变温 度L 14 7 3K 。挂渣层水套壁面的边界条件为第 一类边界条件[ 5 ] ，T 。一5 1 7K 。 2结果与分析 2 ．1 镁铬砖壁面挂渣 镁铬砖作为反应塔炉衬，由于镁铬砖的热阻较 大，镁铬砖壁面的温度较高。如果该壁面温度小于 挂渣相变温度，壁面将形成挂渣，否则壁面没有挂渣 形成。在镁铬砖炉衬厚度2 5 0m m ，炉外壁与空气 辐射、自然对流换热的情况下，利用本研究的计算模 型，得到镁铬砖壁面的温度为13 7 2 ℃。该温度大 于挂渣的相变温度，炉衬内壁没有挂渣形成。炉外 壁与空气辐射、自然对流换热的情况下，壁面形成挂 渣的镁铬砖临界厚度为1 3 ．5m m 。此时，炉壁钢板 的最高温度已达8 9 0 ℃，单纯的镁铬砖壁面形成挂 渣是不现实的。 2 ．2 喷淋冷却挂渣 在炉外壁喷淋强制冷却的情况下，欲使镁铬砖 壁面挂渣，镁铬砖的临界厚度为4 8 ．8m m 。此时， 炉壁钢板的最高温度为1 0 3 ℃，钢壳处在安全工作 温度范围。镁铬砖临界厚度与挂渣相变温度和炉内 烟气温度的关系如图2 所示。镁铬砖临界厚度随相 变温度的升高而增大，并且增大的速度越来越大。 镁铬砖临界厚度随烟气温度的升高而减小，并且减 小的速度越来越慢。通过提高挂渣相变温度和降低 烟气温度来增大镁铬砖临界厚度是有效的，烟气温 度与挂渣相变温度的温差越小，挂渣越容易在喷淋 冷却的镁铬砖壁面形成。 一 万方数据 2 0 1 5 年第1 1 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y Lb g r i m m ．c n 9 ‘ 1 1 0 【1 1 5 012 0 0l2 5 0l3 0 0 相变温度，℃ l 越 登 母甚 磐 烟气温度／℃ 图2 镁铬砖临界厚度与挂渣相变温度 a 和炉内烟气温度 b 的关系 F i g ．2R e l a t i o n s h i pb e t w e e nc r i t i c a lt h i c k n e s so fM g - C rb r i c k sa n dp h a s e t r a n s i t i o n t e m p e r a t u r eo fa d h e r i n gs l a g a a n dt e m p e r a t u r eo fe x h a u s tg a s b 2 ．3 水套壁面挂渣 由于水套的高导热性能，水套壁面温度很低，远 远低于挂渣的相变温度，所以水套壁面肯定有挂渣 昌 昌 越 蹬 趔 { { i 相变温度，℃ ￡ g 魁 避 翅 { { l 的形成。挂渣厚度与挂渣相变温度、炉内烟气温度、 挂渣导热系数的关系如图3 所示。 l3 0 0l3 5 0l4 0 0l4 5 0l5 加 烟气温度，℃ g g 越 登 趔 j j { 导热系数， w m 一- K 一- 图3 挂渣厚度与挂渣相变温度 a 、炉内烟气温度 b 、挂渣导热系数 c 的关系 F i g ．3R e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h i c k n e s so fa d h e r i n gs l a ga n dp h a s e t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo f a d h e r i n gs l a g a ，t e m p e r a t u r eo fe x h a u s tg a s b ，a n dt h e r m a lc o n d u c t i V i t y c 从图3 可以看出，挂渣厚度随相变温度的升高 而增大，并且增大的速度越来越快。挂渣厚度随着 烟气温度的升高而减小，并且减小的速度越来越慢。 通过提高挂渣相变温度和降低烟气温度来增大挂渣 厚度是有效的，烟气温度与挂渣相变温度的温差越 小，挂渣越厚。挂渣厚度随着挂渣导热系数的升高 而增大，并且呈线性关系。 3 结论与展望 1 镁铬砖炉衬壁面难以形成挂渣，仅仅采用高 档优质的耐火材料和加厚镁铬砖厚度对提高反应塔 寿命是不够的。 2 采用喷淋冷却的方式，壁面挂渣的耐火砖临 界厚度较小；采用水套冷却的方式，水套壁面总是能 够形成挂渣。 3 降低炉内烟气温度、提高挂渣相变温度和提 高渣的导热系数能够促进挂渣的形成，增加挂渣层 的厚度。 参考文献 [ 1 ] 有色冶金炉设计手册编委会．有色冶金炉设计手册 [ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 9 6 0 7 ． [ 2 ] 杨世民，陶文铨．传热学[ M ] ．北京高等教育出版社， 2 0 0 5 2 9 ． [ 3 ] 唐谟堂．冶金设备基础传递原理及物料输运[ M ] ．长 沙中南大学出版社，2 0 0 3 2 3 3 ． [ 4 ] 陈卓．铜闪速炉系统数值熔炼模型及反应塔炉膛内形 在线仿真检测研究[ D ] ．长沙中南大学，2 0 0 2 7 4 ． [ 5 ] 熊宗维．数值模拟在反应塔冷却系统设计中的应用 [ J ] ．有色冶金设计与研究，2 0 1 4 ，3 5 2 1 5 1 7 ． 万方数据